基于PM 传感器的DPF 故障诊断方法

王秋花， 李延红， 刘永春， 高发廷

（中国重汽集团技术发展中心， 山东 济南 250000）

随着我国环境压力的日益增大，国家对车辆的排放法规也越来越严格。2018年6月22日，生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段） 标准［1］。为了满足国Ⅵ排放法规要求，系统通常采用DPF颗粒捕集器来降低尾气中颗粒，而且国Ⅵ标准中明确提出系统应该具备监测DPF不能捕集颗粒的故障或DPF过滤效率低的故障。本文介绍了一种使用PM颗粒传感器来判断DPF故障的方法。

1 国Ⅵ后处理系统构成

国Ⅵ后处理系统主要构成结构如图1所示，主要包括DOC、DPF、SCR和ASC。系统安装有2个NOx传感器、4个排温传感器、1个压差传感器以及1个PM传感器。

图1 国Ⅵ后处理系统构成

1） DOC （氧化催化器，Diesel Oxidation Catalyst）：催化氧化发动机尾气中的HC、CO、NO等气态排放物，生成NO2和CO2。其中，HC氧化放热用于DPF主动再生，NO2用于DPF的被动再生。

2） DPF （柴油颗粒过滤器，Diesel Particulate Filter）：壁流式结构，用于捕集排气中的碳颗粒。其中，DPF的再生可分为主动再生和被动再生两种。

3） SCR （选择性催化还原，Selective Catalytic Reduction）：SCR系统采用的还原剂是尿素，尿素NH2CONH2和H2O在高温下分解成NH3和CO2，其工作原理是将还原剂喷入排气管，排气中的氮氧化合物与NH3反应生成N2和H2O。

4） ASC （氨过滤器，Ammonia Slip Catalyst）：为防止氨气的泄露，SCR催化器后有氨催化器，在这个催化器中NH3与O2反应生成N2和H2O。

2 PM传感器

2.1 PM传感器工作原理

PM （颗粒物） 传感器，安装在排气管的出口位置处，通常用来测量尾气中颗粒物的含量，按照设计原理可分为电化学式、光散射式、静电放电式以及颗粒物电特性式几种［2］，其中基于颗粒物特性的可分为电阻式和电容式两种。本文使用的是BOSCH公司开发的基于电阻式的颗粒物传感器。

电阻式颗粒物传感器的工作原理是基于对电阻的测量。颗粒物吸附在梳子状的叉指电极上 （interdigital electrode），并在电极之间形成了导电的通路［3］，当发动机尾气中的颗粒物流经其表面时，被叉指电极收集并填补在电极间的缝隙中，由于颗粒物具有导电性，相邻电极之间形成电接触使电阻值减小，传感器输出电流值增加。电阻式PM传感器工作原理如图2所示。在每个测量阶段之前，传感器元件通过自身加热再生，以保证在测量过程开始的时候它处于初始状态，然后根据测得的电流，结合DPF的实际标定数据分析DPF的性能。

图2 电阻式PM传感器工作原理

2.2 PM传感器工作过程简介

在DPF失效的情况下，通过DPF抵达PM传感器的颗粒物也会相应的增加。因此，如果DPF损坏得越严重，相应的过滤效果就越差。颗粒物流经PM传感器，并在其内部IDE上累积聚集，导致电流增大。

PM传感器通常有3个工作阶段。

1） 等待阶段——该阶段是为了确保所有上游的水汽蒸发。

2） 再生阶段——该阶段通过内部集成的加热器提高传感器元件的温度，上一周期累积的颗粒物在高温条件下被氧化，在IDE再生完成后，PM传感器即完成测量准备。

3） 测量阶段——该阶段进行颗粒物的测量，如果颗粒物持续累积，则测量电流将会增加。

如图3所示，为失效DPF的三阶段工作情况。实际上，对于未故障的DPF来说，测试的电流基本上接近于零。

图3 PM传感器测试失效DPF的工作过程

3 基于PM传感器的DPF故障诊断

3.1 OBD法规要求

根据GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法 （中国第六阶段）》 附件FC要求，OBD系统要监测DPF系统的部件和性能参数［1］。

DPF性能：①DPF堵塞—严重功能性故障监测；②监测DPF的过滤和再生过程，在DPF性能下降并导致颗粒排放超过OBD限值时，OBD系统应检测出故障—排放限值监测。

3.2 DPF故障诊断

系统采用上述电阻式PM传感器进行DPF故障诊断。在每次测量之前，需要进行露点检测，用于保护传感器不被损坏。露点检测完成之后，PM传感器随即进入加热模式（再生阶段），清除之前累积在电极之间的颗粒，确保每次测量都是从零开始。如图4所示的DPF故障诊断流程，根据模型累计积分时间，对比实测传感器电流的大小，用于评估当前DPF是否为故障DPF。

图4 DPF故障诊断流程

以再生结束时刻开始，直至实际采集的IDE叉指电极之间的电流大于预设电流阈值的时间为预估触发时间tR，tR的计算主要考虑尾气中颗粒的浓度、排气速度、温度以及传感器的灵敏度。

OBD的比值包含R1和R2的计算：

式中：R1——DPF正常状态判定；R2——DPF故障状态判定；ISen——传感器实测电流；IC——标定的电流阈值；IIDE——PM传感器温度补偿值。

按照式（1），当R1的值在1～2之间，当R1=2时，表示DPF完全无问题；当R1=1时，表示DPF处于临界状态。

按照式 （2），R2的值在0～1之间，DPF过滤效率越低，则R2的值越小。

3.3 台架验证

如图5所示为故障DPF的实物图，图6为正常DPF和故障DPF在发动机台架上测得的PM传感器的电流值。通过 （1） 和 （2） 公式，可以准确地诊断出DPF 的过滤效果，满足OBD法规要求。

图5 故障DPF

4 结论

本文介绍了一种基于PM传感器的DPF故障诊断方法，通过采集PM传感器的电流，可以得到DPF的实际过滤效果，可以快捷、方便地诊断出DPF过滤效率低的故障，满足OBD法规要求。

图6 故障DPF和正常DPF实测电流值